Die Kartoffelernteerträge vor extremem Hitze- und Dürrestress schützen
Hitzewellen und Düren können im Nu negative Auswirkungen auf die Kartoffelerträge und die Knollenqualität zeitigen, selbst dann, wenn die Landwirtschaftsbetriebe alles richtig machen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ADAPT(öffnet in neuem Fenster) sollte ermittelt werden, welche gemeinhin angebauten Kartoffelsorten besser an Hitze und Dürre angepasst sind und welche Signale diesen Unterschied erklären. Das Projekt kombinierte europäische Feldversuche mit kontrollierten Experimenten und groß angelegten Datenanalysen, damit die Pflanzenzuchtbetriebe den bereits für den Markt bestimmten Sorten Stresstoleranz verleihen können. Eine Umfrage unter Landwirtschaftsbetrieben mit mehr als 550 Teilnehmenden bestätigte, dass Hitze und Dürre in vielen Regionen bereits die Hauptbelastungen darstellen.
Feldversuche zeigen, welche Kartoffeln unter Stress für stabile Ernteerträge sorgen
ADAPT führte stressbezogene Feldversuche mit bis zu 54 Kartoffelsorten durch, um die Leistung bei Dürre und einer Kombination aus Hitze und Dürre zu erfassen. Die Feldversuche fanden in Valencia (Spanien) und in Lewedorp (Niederlande) statt, weitere Arbeiten wurden in Serbien und Österreich absolviert. Die Forschenden verglichen die Reaktionen unter verschiedenen Anbaumethoden und sammelten Proben für eine eingehende Analyse der molekularen Vorgänge, um festzustellen, wie die Kartoffelpflanzen ihr Wachstum und ihren Stoffwechsel als Reaktion auf Stress anpassen. Diese Datensätze halfen dabei, „kontrastierende“ Sorten zu kennzeichnen: Pflanzen, die in normalen Jahreszeiten ähnlich aussehen, sich unter Stress aber deutlich voneinander unterscheiden. Projektkoordinator Markus Teige(öffnet in neuem Fenster) erklärt hierzu: „Das ADAPT-Projekt konzentrierte sich von Anfang an auf für den Handel bestimmte Kartoffelsorten, die in ganz Europa angebaut werden, und der marktfähige Ertrag war für uns immer ein wichtiges Kriterium bei der Bewertung aller Versuche.“ Das Team beobachtete zudem, wie Klimastress mit Schädlingsdruck kumulieren kann, einschließlich schwerer Schäden durch den Kartoffelkäfer in stressigen Jahreszeiten.
Sensorpflanzen offenbaren frühe Stresssignale, die für Knollen wichtig sind
Bei ADAPT standen zwar die Ergebnisse der Feldversuche im Vordergrund, es wurde jedoch auch verfolgt, was in der Pflanze vor sich geht. Im Zuge von Gewächshausstudien nutzte das Team eine Phänotypisierung mit hohem Durchsatz und bildgebende „Reporter“-Kartoffellinien, um die Stresssignalwege in Echtzeit zu verfolgen. Es wurden Sensorpflanzen entwickelt, um sekundäre Botenstoffe wie Kalzium (Ca2+) und reaktive Sauerstoffspezies aufzuspüren. Diese wurden zudem als Reporter-Linien für Dürrereaktionen und stressbedingte Hormone wie ABA und Jasmonat entwickelt. Teige merkt an: „Wir konnten beobachten, dass Pflanzen innerhalb von ein oder zwei Tagen mit ersten Veränderungen in ihrer Physiologie reagieren können.“ Diese frühen Veränderungen führten dann zu eingehenderen molekularen Arbeiten, einschließlich Studien im Zusammenhang mit SP6A, einem wichtigen Signal für die Knollenbildung, um herauszufinden, wie Stress die Knollenbildung steuernden Wege stören kann.
Datenwerkzeuge verwandeln komplexe Biologie in Zuchtziele
ADAPT erstellte Pipelines zur Integration von Drohnen- und Sensordaten mit molekularen Messwerten, so dass standort-, jahreszeiten- und sortenübergreifend Muster miteinander verglichen werden konnten. Eine Errungenschaft ist die StressKnowledgeMap-App(öffnet in neuem Fenster), ein Online-Werkzeug, das Nachweise für Stressreaktionen in verknüpften Karten organisiert, damit Forschende neue Ergebnisse hinzufügen und diese mit Modellen in Verbindung bringen können, die Aufschluss darüber geben, wie Pflanzen unter Druck reagieren. Die Daten machten zudem deutlich, wann Messungen am wichtigsten sind. Die Drohnenphänotypisierung legte nahe, dass frühe Wachstumsmerkmale überaus prädiktiv für den endgültigen Ertrag sein können, und dass die Bewässerung sowohl den Ertrag als auch die Knollenqualität beeinflusst, insbesondere bei früher Anwendung. Diese Erkenntnisse weisen darauf hin, auf welche Bereiche Zuchtbetriebe das Screening richten sollten, und in welchen Bereichen künftige Versuche präzisere Anbauverfahren unterstützen könnten. Die Zuchtbetriebe sind mit dem Engpass konfrontiert, die Resilienz mehrerer Gene in zuverlässige molekulare Marker umzuwandeln, die für verschiedene Klimazonen geeignet sind. Die kombinierten Datensätze von ADAPT helfen bei der Eingrenzung der Stadien und Merkmale, die am ehesten Vorhersagen zur Resilienz des Ernteertrags zulassen, insbesondere in den frühen Wachstumsphasen, damit Zuchtbetriebe bei der Priorisierung der Signale, die in praktische Marker umgesetzt werden sollten, unterstützt werden können. Der nächste Schritt ist die Entwicklung und Validierung dieser Marker für hitze- und dürretolerante Sorten. Teige fasst diesen nächsten Schritt folgendermaßen zusammen: „Wenn dies geschafft wurde, werden diese neuen Sorten den Landwirtschaftsbetrieben in einem Zeitraum von voraussichtlich 5 bis 10 Jahren zur Verfügung stehen und zu stabilen Ernteerträgen mit guter Qualität auch unter verschiedenen Wachstumsbedingungen beitragen.“